JP2006024689A

JP2006024689A - 浅溝素子分離構造の製造方法及び浅溝素子分離構造

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Publication number: JP2006024689A
Application number: JP2004200566A
Authority: JP
Inventors: Norimoto Nakamura; 紀元中村
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2004-07-07
Filing date: 2004-07-07
Publication date: 2006-01-26

Abstract

【課題】ＳＯＩ基板を用いて浅溝素子分離構造（ＳＴＩ構造）を形成する時、熱酸化により生じるベンディングを単純かつ短い工程で、珪素膜に大きな応力を掛けることなく抑える浅溝素子分離構造の製造方法及び浅溝素子分離構造を提供する。
【解決手段】ＳＴＩ構造５０１、及びその周辺０．２５μｍ以外の領域にレジスト６０１をマスクとして酸素イオンを注入する。続けて酸化アニールを行うと、ＳＴＩ構造５０１の領域にあるＢＯＸ膜１０２領域から浸入してきた酸化種によりＳＴＩ構造５０１近傍にある単結晶珪素膜１０３は酸化し、膨張する。同時に、酸素過剰領域７０１より酸素の供給を受けてＳＴＩ構造５０１、及びその周辺０．２５μｍ以外の領域にある単結晶珪素膜１０３も酸化され膨張する従って酸化が均一に行われ、単結晶珪素膜１０３は均一に酸化されるためベンディングの発生が抑制される。
【選択図】図７

Description

本発明は、絶縁膜上に半導体膜を具備している基板を用いて、各半導体素子を電気的に分離するための、浅溝素子分離構造の製造方法及び浅溝素子分離構造に関する。

ＳＯＩ（Silicon On Insulator：絶縁体上にある珪素）基板を用いた半導体素子の素子分離構造の形成手段としてＳＴＩ（Shallow Trench Isolation：浅溝素子分離）技術が知られている。

背景技術として、ＳＯＩ基板に、ＳＴＩ構造を形成する手順として一般に知られているものについて説明する。

まず、珪素膜に１０ｎｍ程度のストレス緩和用酸化珪素膜を熱酸化法で形成した後、１００ｎｍ程度の窒化珪素膜をＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition:化学気相成長)法により形成する。次に窒化珪素膜上にレジスト膜を塗布し、パターニングを行いレジストの所望の領域を開口させる。

次に、このレジストをマスクとして、窒化珪素膜、酸化珪素膜、珪素膜をドライエッチングにより除去する。このドライエッチングにより、ＢＯＸ（Buried OXide：埋め込み酸化物：埋め込み酸化珪素を意味する）膜がＳＴＩ領域では露出する。

次に、アッシング等の手段でレジストを除去した後、熱酸化処理を行うことで、珪素膜側面がドライエッチングにより受けたダメージを修復する。この際、ドライエッチングによりダメージを受けている珪素膜側面が酸化される。しかし、ＢＯＸ膜は酸化雰囲気を通すため、ＳＴＩ構造近傍の珪素膜は下面ＢＯＸ膜側からも酸化され、後述するベンディングという現象を引き起こす。

ベンディングを抑えたＳＴＩ構造の製造方法としては、例えば特許文献１にあるように、ＢＯＸ膜と珪素膜との界面に、酸化種の拡散係数が酸化珪素膜と比べ小さい窒化珪素膜を形成し、ＳＴＩ構造近傍でのバーズビーク発生を抑え、ベンディングを防ぐ手段が提案されている。

また、特許文献２にあるように、ダミーサイドウォール工程や、ＣＭＰ工程などを駆使してＢＯＸ膜と珪素膜の領域を酸化珪素で充填して熱処理し、ベンディングを防ぐ手段が提案されている。

特開２００２−１１８１６５号公報特開２００３−６８８４４号公報

ベンディングという現象は、以下のような機構で発生している。

ドライエッチングで露出したＳＯＩ基板上のＢＯＸ膜は酸化雰囲気を通すため、酸化雰囲気は気相中からＢＯＸ膜を通して珪素膜のＢＯＸ側にも供給される。そのためＳＴＩ構造近傍の珪素膜は下面ＢＯＸ膜側からも酸化される。

珪素が酸化して酸化珪素になるとき、体積が約２倍に膨張するため、ＳＴＩ構造近傍の、ＢＯＸ側の珪素膜が酸化すると、珪素膜は、ＳＴＩ構造近傍では、肥厚したＢＯＸ膜により持ち上げられる形で応力が珪素膜にかかることとなる。

この応力により、珪素膜はＢＯＸ膜から持ち上げられる形に変形する。このように、酸化により生ずる応力により珪素膜が変形する現象をベンディングと呼んでいる。

ベンディングを防ぐ技術としては、前述したように特許文献１及び特許文献２に記載されている技術が知られている。

しかしながら、特許文献１に示されている技術を用いた場合、窒化珪素は酸化珪素に比べヤング率が高い、すなわち硬いため、熱処理などで発生する応力は、あまり緩和されずに珪素膜にかかることとなる。従って珪素膜中に欠陥や転移を発生させるおそれがある。

また、特許文献２に示されている技術を用いた場合、製造工程が複雑であり、スループットが低くなるおそれがある。また、珪素膜上面のみを酸化しているため、珪素膜側面に残されているダメージが十分修復されないおそれもある。

そこで、本発明は、このような問題点を解決し、単純かつ短い工程で、珪素膜に大きな応力を掛けることなくベンディングを抑える浅溝素子分離構造の製造方法及び浅溝素子分離構造を提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、本発明の素子分離構造の製造方法は、半導体もしくは誘電体からなる支持体上に第１酸化珪素膜を有し、さらに前記第１酸化珪素膜上に半導体膜を有する基板を用いた浅溝素子分離構造の製造方法であって、（１）前記半導体膜上に第２酸化珪素膜を形成する工程と、（２）前記第２酸化珪素膜上に窒化珪素膜を形成する工程と、（３）前記窒化珪素膜上に第１レジスト膜を形成する工程と、（４）前記第１レジスト膜をパターニングする工程と、（５）前記第１レジスト膜をマスクとして、前記窒化珪素膜と前記第２酸化珪素膜と前記半導体膜をエッチングにより除去する工程と、（６）前記第１レジスト膜を除去する工程と、（７）第２レジスト膜を形成する工程と、（８）前記第２レジスト膜を前記（５）の工程でエッチングにより除去された領域と、前記領域をくるむ周辺部０．５μｍ以内の範囲で前記第２レジストを残し、他の部分の前記第２レジストを除去する工程と、（９）前記第１酸化膜と前記半導体膜の境界近傍に酸素をイオン注入する工程と、（１０）前記第２レジストを除去する工程と、（１１）前記基板を酸化雰囲気中に置く工程と、を順次行うことを特徴とする。

この製造方法によれば、エッチングにより露出した素子分離構造と、素子分離構造を取り囲む０．２５μｍ以内の範囲以外に酸素がイオン注入により打ち込まれるため、素子分離構造と、素子分離構造を取り囲む０．２５μｍ以内の範囲以外の範囲では酸素過剰な珪素膜や酸化珪素膜が形成される。酸化種の拡散距離は、酸化条件によっても若干変わるが、ＳＴＩ構造を接近させたとき、ＳＴＩ構造同士が干渉し、ＳＴＩ構造が持ち上がる距離がおおよそ０.５μｍであるため、酸化種の最大拡散距離は０.５μｍの半分、つまり０.２５μｍと考えられる。また、イオン注入によって打ち込まれた酸素は、結合手が切れた状態で存在しているため、反応性が強い。そのため、基板を酸化雰囲気中に置いたとき、素子分離構造近傍では、ＢＯＸ膜を介して拡散してくる酸化種により酸化されていくが、素子分離構造近傍以外の範囲でもイオン注入された酸素により半導体膜は酸化されていく。つまり素子分離構造近傍でも、素子分離構造近傍以外の範囲でも半導体膜は酸化されるため、ベンディングを防ぐことができる。

また、本発明の素子分離構造の製造方法は、前記半導体膜の組成は、珪素もしくは、珪素とゲルマニウムもしくは、珪素とゲルマニウムと炭素、のいずれかの元素の組み合わせを用いていることを特徴とする。

この製造方法によれば、半導体膜に珪素を含むため、半導体膜は酸化により酸化珪素に変化する。ここで、酸化ゲルマニウム、酸化炭素は蒸気圧が高いため、気相中に拡散し散逸するため、酸化珪素膜が残されることとなる。

また、本発明の素子分離構造は上記素子分離構造の製造方法で製造されている。

この構成によれば、ベンディングに起因するリーク電流を効果的に抑えることができ、回路素子間を電気的にほぼ完全に分離する機能を有する素子分離構造を実現することができる。

本発明を具体化した一実施形態について、図面を参照して説明する。

図１〜図９は本実施形態で使用する半導体素子の製造工程を示す工程断面図である。まず、図１について簡単に説明する。

図１は、ＳＯＩ（Silicon On Insulator：絶縁体上の珪素）構造を持つＳＯＩ基板の断面図である。珪素ウェハ１０１上にＢＯＸ（Buried OXide：埋め込み酸化物、埋め込み酸化珪素膜を意味する）膜１０２、単結晶珪素膜１０３が形成されたＳＯＩ構造を持つＳＯＩ基板１００の断面図である。ＳＯＩ基板１００を起点として、ＳＴＩ（Shallow Trench Isolation：浅溝素子分離）技術を用いた素子分離構造を製造する。

図２は、酸化珪素膜成膜後の工程断面図である。図１で示した単結晶珪素膜１０３上に、１０ｎｍの厚さを持つ酸化珪素膜２０１を熱酸化方法で成膜したものである。酸化珪素膜２０１は後述する窒化珪素膜３０１と、単結晶珪素膜１０３との間に介在し、窒化珪素膜３０１からの単結晶珪素膜１０３への応力を緩和するために成膜されている。

図３は酸化珪素膜上に窒化珪素膜を成膜した後の工程断面図である。応力緩和のために成膜された酸化珪素膜２０１上に１００ｎｍの厚みを持つ窒化珪素膜３０１を形成したものである。窒化珪素膜３０１は、後述するＳＴＩ構造５０１の酸化雰囲気でのアニール中に、単結晶珪素膜１０３の上面の酸化を防止するために形成されている。

図４は、素子分離領域のみ開口するように露光・現像工程を行った後の工程断面図である。レジスト４０１は、窒化珪素膜３０１上に塗布されている。レジスト４０１の塗布後、素子分離領域のみ開口するように露光・現像工程を行っており、レジスト４０１は、素子分離を行う領域では取り除かれている。

図５は、レジストをマスクとしてＳＴＩ構造を形成した後、レジストをアッシングして除去した後の工程断面図である。レジスト４０１をマスクとして、窒化珪素膜３０１、酸化珪素膜２０１、単結晶珪素膜１０３をドライエッチングにて除去し、レジスト４０１をアッシングにより除去している。ドライエッチングによりＳＴＩ構造５０１の溝部が形成されている。

図６は、酸素イオン注入のマスクとなるレジストを形成した後の工程断面図である。レジスト６０１を塗布し、ＳＴＩ構造５０１、及びＳＴＩ構造５０１の周辺０．２５μｍの領域を覆うように露光・現像工程を行い、レジスト６０１をパターニングしている。

図７は、レジストをマスクとして、酸素のイオン注入を行っている時の工程断面図である。レジスト６０１をマスクとして、単結晶珪素膜１０３のベンディングを抑制するために、単結晶珪素膜１０３とＢＯＸ膜１０２との界面に酸素のイオン注入を行う工程断面図である。酸素のイオン注入に用いる条件としては、エネルギーは１３０ｋｅＶ、ドーズ量は２．６×１０¹⁷ｃｍ^-2の条件を用いる。加速エネルギーを１３０ＫｅＶにすることで、酸素イオンは、単結晶珪素膜１０３とＢＯＸ膜１０２の境界付近に注入される。

この工程により、ＳＴＩ構造５０１及びその周辺部を除いた場所では、過剰に酸素原子が存在する酸素過剰領域７０１が形成される。なお、酸素のドーズ量２．６×１０¹⁷ｃｍ^-2は、酸化珪素膜厚に換算すると約５０ｎｍとなる。すなわちこのイオン注入条件では、５０ｎｍ以下の酸化珪素膜を形成する処理では、ベンディングをほぼ抑えることが可能となる。

図８は、酸素イオン注入後、レジストをアッシングで取り除いた後の工程断面図である。

ＳＴＩ構造５０１の、ＳＴＩ構造５０１及びその周辺部を除いた場所では酸素過剰領域７０１が形成されている。

図９は、ドライエッチングで損傷を受けた領域の損傷を回復するため、酸化雰囲気でのアニールを行った後の工程断面図である。酸化雰囲気でのアニール条件は、アルゴンで９：１に希釈した酸素雰囲気で行い、炉の温度は１１００℃、反応時間は１１０分である。この熱処理条件は、酸化速度モニタに用いられている図示せぬ単結晶珪素基板上に５０ｎｍの酸化膜厚の酸化珪素膜を形成する条件に相当する。

ＳＴＩ構造５０１及びその周辺部を除いた場所では、酸素原子が過剰に注入されている酸素過剰領域７０１が形成されている。

拡散によりＢＯＸ膜１０２中に浸入した酸素と、単結晶珪素膜１０３と酸素とが化合し、酸化珪素膜が生成される。単結晶珪素膜１０３と、酸素が反応したとき、元の珪素の体積に比べ約２倍に膨張するため、ＳＴＩ構造５０１の周辺部ではこの膨張に伴い単結晶珪素膜１０３は持ち上げられる。

ここで、ＳＴＩ構造５０１及びその周辺部を除いた場所では、酸素原子が過剰に注入されている酸素過剰領域７０１が形成されているため、ＳＴＩ構造周辺部以外では、酸素過剰領域７０１から供給される酸素により、単結晶珪素膜１０３のＢＯＸ膜１０２側ではＳＴＩ構造５０１の周辺部と同様に酸化されるため、単結晶珪素膜１０３はＳＴＩ構造５０１の周辺部以外でも持ち上げられることとなる。つまり、単結晶珪素膜１０３全体が持ち上げられることとなり、単結晶珪素膜１０３に応力は殆どかからず、ベンディング等の発生を防ぐことができる。
また、この酸化工程により、酸素過剰領域７０１の酸素は消費されるため、酸素過剰領域７０１は消失する。

以上の工程を行うことで、ＳＯＩ基板１００を使用し、ＳＴＩ技術を用いながら、単結晶珪素膜１０３のベンディングを抑えたＳＴＩ構造を得ることができる。

このＳＴＩ構造５０１は、単結晶珪素膜１０３のベンディングをほぼ完全に抑えて形成されているため、リーク電流の絶対値を小さくできた。また、リーク電流が応力という制御困難なパラメータに支配されていないことから、リーク電流のばらつきが小さい、安定した素子分離構造を得ることができた。さらに、欠陥が殆ど発生しないことから、信頼性にも優れた素子分離構造を得ることができた。

なお、同一の熱処理条件で、酸素のドーズ量のみを約半分の１．３×１０¹⁷ｃｍ^-2に減らした場合、２５ｎｍ分の酸化処理までは、ベンディングを抑えることができるが、残りの２５ｎｍ分の酸化についてはベンディングが発生する。しかしながら、ベンディングの量は酸素イオン注入を行わない場合と比べ、半分に抑えることができ、酸化時に発生する応力を大きく減少させることができる。

次に、本実施形態の効果について記述する。

（１）ＳＴＩ構造５０１及びその周辺部を除いた場所では、酸素原子が過剰に注入されている酸素過剰領域７０１が形成されているため、ＳＴＩ構造周辺部以外では、酸素過剰領域７０１から供給される酸素により、単結晶珪素膜１０３のＢＯＸ膜１０２側ではＳＴＩ構造５０１の周辺部と同様に酸化されるため、単結晶珪素膜１０３はＳＴＩ構造５０１の周辺部以外でも持ち上げられることとなる。つまり、単結晶珪素膜１０３全体が持ち上げられることとなり、単結晶珪素膜１０３に応力は殆どかからず、ベンディング等の発生を防ぐことができる。

（２）単結晶珪素膜１０３にかかる応力が緩和されるため、電気的なリークを抑えられ、かつ信頼性にすぐれた浅溝素子分離構造を得ることができる。
＜変形例＞
・前記実施形態では、支持体として珪素ウェハを用いたが、これは勿論石英やガラスを用いても良い。特に、透過型液晶装置へ本発明の技術を応用する場合には、透明な支持体であるガラスや石英を用いることが特に有効である。

・前記実施形態では、半導体膜として単結晶珪素を用いた例について説明したが、これは勿論多結晶珪素やアモルファス珪素、あるいは珪素中にゲルマニウムを含む単結晶や多結晶やアモルファス、あるいは珪素中にゲルマニウムと炭素とを含む単結晶や多結晶やアモルファスを用いても良い。特に、表示端末に用いられる大型の基板を用いる場合、多結晶珪素やアモルファス珪素を使うことが特に有効である。

ＳＯＩ基板の断面図。熱酸化膜を形成したＳＯＩ基板の工程断面図。窒化膜を形成した後のＳＯＩ基板の工程断面図。レジストの露光・現像を行った後のＳＯＩ基板の工程断面図。レジストをマスクとして、窒化珪素膜、酸化珪素膜、単結晶珪素膜をエッチングし、アッシングによりレジストを除去した後の工程断面図。レジストを再度塗布しＳＴＩ領域とその周辺のレジストを残した後のＳＯＩ基板の工程断面図。酸化珪素膜とＢＯＸ層の界面に酸素をイオン注入した後のＳＯＩ基板の工程断面図。レジストをアッシングにより除去した後の工程断面図。酸化雰囲気でのアニ−ルを行った後の工程断面図。

符号の説明

１００…基板としてのＳＯＩ基板、１０１…支持体としての珪素ウェハ、１０２…第１酸化珪素膜としてのＢＯＸ膜、１０３…半導体膜としての単結晶珪素膜、２０１…第２酸化珪素膜としての酸化珪素膜、３０１…窒化珪素膜、４０１…レジスト、５０１…ＳＴＩ構造、６０１…レジスト、７０１…酸素過剰領域。

Claims

半導体もしくは誘電体からなる支持体上に第１酸化珪素膜を有し、さらに前記第１酸化珪素膜上に半導体膜を有する基板を用いた浅溝素子分離構造の製造方法であって、（１）前記半導体膜上に第２酸化珪素膜を形成する工程と、（２）前記第２酸化珪素膜上に窒化珪素膜を形成する工程と、（３）前記窒化珪素膜上に第１レジスト膜を形成する工程と、（４）前記第１レジスト膜をパターニングする工程と、（５）前記第１レジスト膜をマスクとして、前記窒化珪素膜と前記第２酸化珪素膜と前記半導体膜をエッチングにより除去する工程と、（６）前記第１レジスト膜を除去する工程と、（７）第２レジスト膜を形成する工程と、（８）前記第２レジスト膜を前記（５）の工程でエッチングにより除去された領域と、前記領域をくるむ周辺部０．２５μｍ以内の範囲で前記第２レジストを残し、他の部分の前記第２レジストを除去する工程と、（９）前記第１酸化膜と前記半導体膜の境界近傍に酸素をイオン注入する工程と、（１０）前記第２レジストを除去する工程と、（１１）前記基板を酸化雰囲気中に置く工程と、を順次行うことを特徴とする浅溝素子分離構造の製造方法。
前記半導体膜の組成は、珪素もしくは、珪素とゲルマニウムもしくは、珪素とゲルマニウムと炭素、のいずれかの元素の組み合わせを用いていることを特徴とする請求項１に記載の浅溝素子分離構造の製造方法。
請求項１又は２に記載の製造方法で製造された浅溝素子分離構造。